高压快速响应PZT驱动电源设计

鲁琳琳，张晓青，贾豫东

（北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室，北京100192）

高压快速响应PZT驱动电源设计

鲁琳琳，张晓青，贾豫东

（北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室，北京100192）

压电陶瓷（PZT）驱动电源是微位移器应用中的关键部件，针对PZT的容性负载特性，本文采用高压高带宽的MOSFET功放管和集成运放设计并实现了一种高压快速驱动电源的设计方案，配合相位补偿网络和保护电路，改进了PA78驱动容性负载电路的稳定性。实验表明，该PZT驱动电源带宽可达60 kHz，输出电压范围是-100～100 V，具有好的动态性能-从0-50 V所用时间为7 μs，最大非线性相对误差为0.52%，且能长时间稳定工作，解决了PZT驱动电路中的不能长期稳定工作的问题。

PZT；驱动电源；快速响应；PA78

压电陶瓷（PZT）技术属于精密定位与测量领域中十分先进的技术之一。PZT微位移器具有体积小，位移分辨率高，频响高，无噪声，不发热等特点，是一种理想的微位移元件，广泛应用于各种精密仪器和机电一体化设备中。任何PZT微位移器件的使用都需要驱动电源，而对于外加PZT驱动电源而言，PZT相当于容性负载，其能否正常、有效的工作，主要取决于其驱动电源的性能，所以驱动电源的性能直接关系着高精度微位移的实现［1-3］。

1　驱动电源的设计方案

1.1驱动电源总体设计

驱动电源设计的总体框图如图1所示。整体包括驱动电源供电、放大电路两个重要部分。驱动电源的供电用两个稳压电源：±15 V稳压电源和±175 V稳压电源为放大电路中的芯片提供稳定的直流电压。放大电路实现电压的放大，输出具有一定的驱动能力的稳定电压，该部分决定着驱动电压的输出性能，是电源设计的核心部分。

图1　驱动电源总体设计框图Fig.1The overall block design diagram of driving power

1.2驱动电源核心电路设计

本文设计的驱动电源主要是基于电压驱动型［4-6］。以高压运放PA78为放大电路的核心，驱动电源中放大电路的框图如图2所示。一般放大电路由输入级，中间放大级和输出级3部分构成，而高压运放PA78将3部分集成在一个芯片内，使电路集成度大大提高，减小了体积，简化了设计。

由上面的分析设计放大电路的电路图，如图3所示。本设计的放大电路是一个两级放大，其中放大倍数是可调的。电路的放大倍数等于前级放大倍数乘以高压放大电路的放大倍数，因此调节电阻R9可改变整个放大电路的放大倍数。

图2　驱动电源放大电路框图Fig.2Amplifying circuit block diagram of driving power

图3　核心放大电路Fig.3Core amplifying circuit

1.3保护电路及相位补偿

对PA78驱动压电陶瓷的放大电路，因为压电陶瓷有正压电效应和逆压电效应，在电路工作时压电陶瓷会膨胀变形发生正压电效应，使变形产生的机械能转换为电能，这些电能会进入放大器的输出端从而对运放有破坏作用，很多压电陶瓷驱动源不能长时间稳定工作，这是很重要的一个原因。所以阻止这些电能进入运放是很有必要的。如图4所示，在运放输出端到正负电源间通过连接快速恢复性二极管D1、D2可以起到保护运放的作用。

图4　加保护电路和相位补偿网络的放大电路Fig.4Amplifying circuit including protection circuit and phase compensation network

集成运放的应用电路开环增益为一定值时，若相移过大，电路将产生高端提升及振荡现象。为了避免此类情况，需要对集成运放电路进行相位补偿来提高放大电路的稳定性。由于PA78内部的设计，需要两个补偿网络，并且补偿元件的值是相同的以便提供对称的转换速率。如图4所示，补偿元件Rc+= Rc+=3 kΩ，Cc+=Cc-=6.8 pF，且Cc+、Cc-是NPO电容，耐压值为500 V。这两个补偿网络可以避免运放产生寄生振荡。此外在PA78的Cc-和-Vs引脚还需要33 pF的电容C5，它可以阻止输出端下降沿产生的振荡。一般而言补偿电容的容值选择在1 pF到22 pF范围内比较好，随着电容值的增加，稳定性越好，但会损失带宽，所以在设计中根据设计需求，选择6.8 pF。

2　实验结果分析

2.1输出电压的测试

放大倍数为20，频率为1 kHz时，输入峰峰值不同时输出的波形如图5所示。随着输入峰峰值的增加，输出波形峰峰值跟着增加，当输出电压的峰峰值为220 V时，波形出现失真，所以驱动电源输出电压的范围可达-100~100 V，能满足绝大多数PZT位移量的驱动需求。

图5　输入峰峰值不同时输出的波形Fig.5The output waveform when the input fengfeng values are different

2.2输出频率测试

放大倍数为20，峰峰值为1 V时，输入频率不同时输出的波形如图6所示。随着频率的增大，输出波形的跟着变化。当输入频率为60 kHz时输出波形有所变形，并且波形幅度也有所下降，但在误差允许范围内。当频率为100 kHz时波形幅度已下降很多。

图7　输入输出电压关系曲线Fig.7Relationship curve of input and output voltage

2.3电源线性度测试

输出电压线性度反映电源的精度指标是指电源的实际输出特性与理想直线之间的最大误差。调整放大倍数大约10倍，在直流0～10 V输入时，实测输出电压如表1。用origin对该组数据进行分析，用一次多项式进行拟合得到拟合直线为10.170 45*x-0.060 45，如图7所示。由此式算出直线拟合后的电压值从而算出误差。当输入电压为7 V时，误差最大，且非线性相对误差也为最大经计算为0.52%。

表1　输入输出电压值Tab.1Input and output voltage

2.4阶跃响应测试

如图8所示，驱动电源输出端电压从0 V上升到50 V用时为7 μs。

图8　阶跃响应Fig.8Step response

3　结论

本文采用PA78和UA741组成的放大电路设计了一种压电陶瓷驱动电源。对实验测得数据进行分析可知驱动电源输出电压为-100～100 V连续可调，带宽可达60 kHz。并且响应速度快（从0 V上升到50 V用时7 μs）、线性度好（最大非线性相对误差为0.52%），达到了设计要求。

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Design of piezoelectric ceramic power with high pressure and quick response

LU Lin-lin，ZHANG Xiao-qing，JIA Yu-dong
（Beijing Key Laboratory for Opto-electronic Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China）

Piezoelectric ceramic（PZT）power is key component in the applications of micro displacement device，based on the capacitive load characteristics of PZT，this paper adopts high voltage high bandwidth MOSFET power transistor and integrated circuit operational amplifier to design and achieve a design scheme of high voltage and quick response driving power，cooperate with the phase compensation network and protection circuit.And this design scheme improves the stability of PA78 driving capacitive load circuit.The experiments show，the bandwidth of PZT driving power is 60KHZ，output voltage range is-100V-100V，the dynamic performance is very good-the rise time is 7us from 0 to 50 v，the largest nonlinear relative error is 0.52%.And this PZT driving power can work stably for a long time，which solves the problem that the PZT driving circuit can't work long-term stability.

PZT；driving power；quick response；PA78

TN722

A

1674－6236（2015）09-0109-03

2014-07-29稿件编号：201407222

北京市教育委员会科技计划面上项目（KM201411232005）；光电测试技术北京市重点实验室开放课题（GDKF2013002）

鲁琳琳（1990—），女，河南驻马店人，硕士研究生。研究方向：光纤传感技术。